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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Alternative zu Photodiode+Transimpedanzverstärker


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Autor: Bruno K. (b0bbyr4y)
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Hallo zusammen,


Erstmal die Ausgangssituation:
ich habe eine Empfängerschaltung für ein Infrarot-Signal mit Hilfe eines 
Transimpedanzverstärkers (TIA) gebaut.
Diese Schaltung hab ich mittlerweile zum Laufen bekommen. Allerdings war 
das ein bisschen mühselig, da die Schaltung im MHz Bereich arbeiten 
soll.
Im Nachhinein sieht es ziemlich trivial aus aber während dem Entwurf der 
Schaltung hatte ich doch einige Probleme, da ich kein Experte für 
analoge Schaltungstechnik bin und den OP nicht bis auf den letzten 
Transistor und die letzte interne Kapazität verstehe. Gerade die 
Kapazitäten beeinflussen aber das Verhalten der Schaltung immens!
Habe einiges ausprobiert um das in den Griff zu bekommen und bin jetzt 
schließlich doch wieder bei einem "normalen" TIA mit Widerstand RF als 
Gegenkopplung und Kondensator CF zur Kompensation der Kapazität der 
Photodiode. Die Schaltung dazu ist angehängt. Die Ergebnisse sind noch 
nicht ganz optimal aber ich bin erstmal zufrieden.
Ich habe also festgestellt, dass das Verhalten der Schaltung bei hohen 
Frequenzen vor allem von der Wahl des OPs abhängt.
Die gleiche Schaltung mit dem OPA657 anstatt dem OPA827 und schon 
oszilliert die Schaltung vor sich hin. Das muss an den Kapazitäten der 
Eingänge am OP liegen oder zumindest kann ich es mir nicht anders 
erklären.


Nun zur eigentlichen Frage:
Gibt es alternative Schaltungen zur Verstärkung des Photodiodenstroms?

Autor: ArnoR (Gast)
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Bruno K. schrieb:
> Gibt es alternative Schaltungen zur Verstärkung des Photodiodenstroms?

Beitrag "Re: Photodioden-Frontend hohe Empfindlichkeit, mittlere Bandbreite?"

Autor: Michael L. (Gast)
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Hallo,

> Nun zur eigentlichen Frage:
> Gibt es alternative Schaltungen zur Verstärkung des Photodiodenstroms?
Schau Dir mal das Datenblatt von OPA380/OPA2380 an. Das ist ein OPV, der 
speziell für Deine Anwendung entwickelt wurde.


Viele Grüße
Michael

Autor: Bruno K. (b0bbyr4y)
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Hi ArnoR,

danke für die schnelle Antwort!

Ich habe zwar einige Threads durchgelesen habe diesen aber übersprungen, 
da die ursprüngliche Fragestellung sich auf eine Bandbreite um die 5kHz 
bezogen hat, was nicht mit meinem Problem übereinstimmt.

Die Bootstrap-Schaltung ist ein tolle Idee. Ich werde das ausprobieren. 
Vielen Dank nochmal für den Link!

Autor: Michael L. (Gast)
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Hallo,

> Nun zur eigentlichen Frage:
> Gibt es alternative Schaltungen zur Verstärkung des Photodiodenstroms?
Ergänzung zu meinem ersten Beitrag:

...ansonsten schau Dir mal an, ob einer dieser OPV Dir weiterhilft:
http://www.ti.com/amplifier-circuit/special-function/transimpedance/products.html

Man muss nicht gleich ein Schaltungskonzept verwerfen, wenn man auf das 
erste Problem trifft.

Vielleicht wäre es auch günstig, wenn Du den Schaltungsaufbau zeigst.
- Hat die Leiterplatte eine Massefläche?
- Erzeugst Du die Spannung über Linearregler?
- Entstörst Du die Spannungsversorgun in unmittelbarer Nähe des OPV mit 
einem 100nF-Kondensator?
- Sind die OPV-Beine etwas von der Massefläche entfernt?
- Über welche Leitungen/welche Entfernung wird der Photodiodenstrom zum 
Verstärker geführt?



Viele Grüße
Michael

Autor: Bruno K. (b0bbyr4y)
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Hi Michael,

danke für die Info. Ich habe zwar schon passende OPs gefunden - die 
Frage, ob es Alternativen gibt, war ja nur interessehalber - aber 
trotzdem danke. Ich werde mir die vorgeschlagenen OPs anschauen. 
Vielleicht finde ich was günstiges.

Autor: MaWin (Gast)
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Autor: Werner H. (werner45)
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...Doch, aber ohne Fotodiode:

Rotempfindlicher Photomultiplier, ist einige ns schnell und hat 
Verstärkungen zwischen 10^3 und 10^8.
Hochspannungserzeugung direkt im Sockel. Näheres bei Hamamatsu.

Gruß  -  Werner

Autor: Wolfgang (Gast)
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Da dich vermutlich nur der hochfrequente Anteil des Photodiodensignals 
interessiert, würde ich in dem Fall der Diode zur Verkleinerung der 
Sperrschichtkapazität eine kräftige Vorspannung verpassen.

Autor: Jens G. (jensig)
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>Die gleiche Schaltung mit dem OPA657 anstatt dem OPA827 und schon
>oszilliert die Schaltung vor sich hin. Das muss an den Kapazitäten der
>Eingänge am OP liegen oder zumindest kann ich es mir nicht anders
>erklären.

Auch der OPA657 funktioniert bestens, mit unterschiedlicher 
Gegenkopplung, mit entsprechender Cf, sofern das Layout des PCB nicht 
sonstwie gestaltet ist. Aber ich vermute mal, Du hast nicht gerade das 
günstigste PCB-Layout dafür gemacht, vielleicht Abblock-C's vergessen.
Der OPA656 ist gutmütiger, da für G=1 kompensiert (OPA657 wird erst ab 
G=7 stabil), so daß der sogar rel. lässig einen fliegenden Aufbau 
verträgt.
Also zeige mal Dein PCB, bzw. den Aufbau.
Daß der OPA827 macht, was er soll, liegt einfach an seiner Langsamkeit, 
und UnityGain-Kompensation. Aber sehr hohe Frquenzen bei hoher 
Transimpedanz wird er dann eben nicht machen wollen.

>Die Bootstrap-Schaltung ist ein tolle Idee. Ich werde das ausprobieren.
>Vielen Dank nochmal für den Link!

Ich würde eher beim OPA657 bleiben, und dem ein sauberes Layout 
spendieren.
>1MHz mit 1MOhm bei einem Eingangs-C von vielleicht 10pF sind mit dem schon rel. 
lässig drin.
Solche Bootstraps bringen auch nur dann wirklich was, wenn man eine hohe 
Eingangs-C kompensieren will (also fette Photodiode)
Ach ja - einen kleinen Serien-R (22Ohm oder so) in den Ausgang des OPA 
einschleifen, sollte den zusätzlich beruhigen, falls man mit kapazitiven 
Tastköpfen oder sonstigfer nachfolgender Schaltung da ran geht.

>danke für die Info. Ich habe zwar schon passende OPs gefunden - die

Hattest Du doch mit dem OPA657 schon gefunden. Nur das Drumherum war 
wohl vollkommen unpassend.

: Bearbeitet durch User
Autor: U. M. (oeletronika)
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Hallo,
bei Transimpedanzverstärkern (TIA) und OPV, die speziell für TIA 
beworben werden, geht in der Regel immer um sehr kleine Detektorströme 
und sehr hohe Rückkopplungswiderstände (100kOhm-, eher MOhm-Bereich 
aufwärts bis zig MOhm). Da braucht man zwingend OPV mit hinreichend 
kleinen BIAS-Strömen (pA..fA-Bereich).

Bei Dir sehe ich aber 10 KOhm in der Rückkopplung (einige 
Größenordnungen unterhalb dessen, wo man sonst mit TIA was macht). Da 
würde ich vermuten, dass du für den OPV auch ganz normale bipolare OPV 
mit moderaten Biasstrom (nA...uA-Bereich) und gutmütigen 
Frequenzverhalten einsetzen kannst.
Die niederohmige Rückkopplung ist dann wohl auch die Ursache für das 
schwingen des OPV mit GHz-Bandbreite.

> Bruno K. schrieb:
> Nun zur eigentlichen Frage:
> Gibt es alternative Schaltungen zur Verstärkung des Photodiodenstroms?
Der einfache TIA ist für so lche Anwendungen das Sorglospaketm auch für 
Anfänger. Damit die Schaltung die gewünscht Dynamik gut mitmacht, ist 
eine Vorspannung der Photodiode sicher auch nicht verkehrt.
Gruß Öletronika

Autor: Einer (Gast)
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Bruno K. schrieb:
> Die gleiche Schaltung mit dem OPA657 anstatt dem OPA827 und schon
> oszilliert die Schaltung vor sich hin. Das muss an den Kapazitäten der
> Eingänge am OP liegen oder zumindest kann ich es mir nicht anders
> erklären.

270342715_In-circuit-measurement_of_parasitic_elements_in_high_gain_high 
_bandwidth_low_noise_transimpedance_amplifiers

Dort findest Du antworten warum es oszilliert und auch wie man es in den 
Griff bekommt.
Das komplette Paper sollte über bekannte Quellen auffindbar sein.

Autor: Hans (Gast)
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Quelle ist einfach zu finden:
https://aip.scitation.org/doi/pdf/10.1063/1.4902854

Zugang aber nur über die Uni möglich :-(

Autor: Bruno K. (b0bbyr4y)
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Wolfgang schrieb:
> Da dich vermutlich nur der hochfrequente Anteil des
> Photodiodensignals
> interessiert, würde ich in dem Fall der Diode zur Verkleinerung der
> Sperrschichtkapazität eine kräftige Vorspannung verpassen.

Die Geschwindigkeit der Photodiode ist das kleinste Problem :-)


Jens G. schrieb:
> Auch der OPA657 funktioniert bestens, mit unterschiedlicher
> Gegenkopplung, mit entsprechender Cf, sofern das Layout des PCB nicht
> sonstwie gestaltet ist. Aber ich vermute mal, Du hast nicht gerade das
> günstigste PCB-Layout dafür gemacht, vielleicht Abblock-C's vergessen.

Den Wert von Cf zu ändern war das erste was ich gemacht habe und das ist 
definitiv nicht das Problem. Das Layout spielt erstmal keine Rolle, weil 
es um die Simulation geht. Abblock Kondensatoren sind also auch nicht 
das Problem.

Ich habe auch mit dem LT6230-10 simuliert und die entsprechende 
Schaltung aufgebaut. Das Layout befindet sich im Anhang (hab ein paar 
Brücken drin, um verschieden Werte in der Rückkopplung testen zu 
können).


U. M. schrieb:
> Hallo,
> bei Transimpedanzverstärkern (TIA) und OPV, die speziell für TIA
> beworben werden, geht in der Regel immer um sehr kleine Detektorströme
> und sehr hohe Rückkopplungswiderstände (100kOhm-, eher MOhm-Bereich
> aufwärts bis zig MOhm). Da braucht man zwingend OPV mit hinreichend
> kleinen BIAS-Strömen (pA..fA-Bereich).
>
> Bei Dir sehe ich aber 10 KOhm in der Rückkopplung (einige
> Größenordnungen unterhalb dessen, wo man sonst mit TIA was macht). Da
> würde ich vermuten, dass du für den OPV auch ganz normale bipolare OPV
> mit moderaten Biasstrom (nA...uA-Bereich) und gutmütigen
> Frequenzverhalten einsetzen kannst.

Ein hoher Widerstandswert von 100kOhm oder mehreren MOhm macht meine 
Schaltung zu langsam und die 10kOhm sind nicht der Grund dafür, dass 
alles osziliert hat. Mittlerweile hat sich das Problem mit der 
Oszillation geklärt.


Im Anhang ist eine Schaltung die funktioniert. Ich verwende den 
LT6230-10 (GBP = 1.45GHz). Habe sie auch aufgebaut und in der 
Rückkopplung 10kOhm verwendet.
Ich bin allerdings sehr verwirrt, weil ich an meinem invertierenden 
Eingang meine Spannung abgreifen muss??????????????????????????????
Am Ausgang ist die Spannung negativ und liegt bei wenigen mV. Die Pins 
sind definitiv nicht vertauscht. Ich hab die richtigen Pins verbunden 
und auch an den richtigen Pins gemessen.

: Bearbeitet durch User
Autor: Helmut S. (helmuts)
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> Ich bin allerdings sehr verwirrt, weil ich an meinem invertierenden
Eingang meine Spannung abgreifen muss?

Ich nicht.

1. Wenn man einen Opamp mit single supply (nur +5V und Masse) versorgt, 
dann kann am Ausgang nie 0V herauskommen. Das müsste dein Opamp aber 
liefern, wenn die Photodiode (fast) keinen Strom liefert. Du solltest 
den +Eingang des Opamp auf z. B. +1V legen. Dann bekommst du ohne Licht 
schon mal 1V am Ausgang. Das kann der Opamp auf jeden Fall. Bei nur 
100mV am Ausgang wäre die Leerlaufverstärkung und Bandbreite auch schon 
reduziert.

2. Natürlich muss die Photodiode auch richtig herum angeschlossen 
werden. So wie in deinem Schaltbild wäre sie richtig angeschlossen. Bei 
falscher Polarität musste der Opamp eine negative Ausgangsspannung 
liefern. Das geht bei single supply schon mal gar nicht.

Autor: U. M. (oeletronika)
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> Bruno K. schrieb:
> Ein hoher Widerstandswert von 100kOhm oder mehreren MOhm macht meine
> Schaltung zu langsam und die 10kOhm sind nicht der Grund dafür, dass
> alles osziliert hat.
Nein, der Grund war unter anderem sicher der OPV-Typ selber und dessen 
Beschaltung

> Im Anhang ist eine Schaltung die funktioniert.
Aha, ich denke, das ist eine flasche Annahme, denn unten schreibst du, 
dass sie nicht funktioniert.

> Ich verwende den LT6230-10 (GBP = 1.45GHz).
Das ist eben ein bipolarer OPV, der nicht als TIA beworben wird.
Dafür hat er andere Vor- und Nachteile.
> Habe sie auch aufgebaut und in der Rückkopplung 10kOhm verwendet.

> Ich bin allerdings sehr verwirrt, weil ich an meinem invertierenden
> Eingang meine Spannung abgreifen muss??????????????????????????????
Und das soll nun die korrekte Funktion beweisen?

> Am Ausgang ist die Spannung negativ und liegt bei wenigen mV.
Dito, bei Stromversorgung von 0-5V ist eine neg. Ausgangspannung sicher 
merkwürdig. Das ist eben der kleine Unterschied zwischen Simulation und 
Praxis.

Ist aber auch logisch, das da irgend ein Quark rauskommt.
Der OPV wird zwar als Rail to Rail am Ausgang beworben, aber schau dir 
mal den zulässigen Eingangsspannungsbereich an (Vcm). Der liegt bei 5V 
Single Supply im Berich von 1,5V-4V!
Du willst die Eingänge aber bei 0V betreiben.

> sind definitiv nicht vertauscht. Ich hab die richtigen Pins verbunden
> und auch an den richtigen Pins gemessen.
Wie schon geschrieben, solltest du erstmal die Eingangsspannung passend 
machen oder eine ordentliche Stromversorgung bereit stellen.
Dann macht es auch Sinn, die Photodiode vorzuspannen. Das reduziert die 
Kapazität erheblich.
Gruß Öletronika

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